EXPERIENCE OF SEALING WEAK WATER-SATURATED LOESS SOILS WITH VERTICAL SAND DRAINS IN SEISMIC REGIONS

Abstract


The article presents the results of studies relating to compaction of weak water-saturated forest soils and vertical sandy drains under static and seismic effects in the conditions of the Central Asian region. Considering the absence of any experimental and theoretical studies of the application of this parameter, field (in-situ) experimental studies were carried out to identify the possibilities and effectiveness of its use in conditions of weak water-rich loess soils of the Republic of Tajikistan. The article discusses changes in the basic physical and mechanical characteristics of soils and experimental structures. At the experimental site, three plots with a size of 10·10 m were prepared, where the plot was loaded without the installation of vertical sand drains; 3·3 m to a depth of 6.0 m. Static loading of experimental plots by a derivative by layer-by-layer dumping of ground material with measurement of total and layer-by-layer deformations of the packed thickness. Imitation of seismic impact with an intensity of 8 points was carried out using short-delayed explosions of explosive charges. Studies have shown the effectiveness of the use of vertical sandy drains for compaction of weak water-saturated loess soils. Recommendations are given on the use of explosion energy to improve the quality of soil compaction.

Full Text

Опыт строительства показывает, что при значительной толщине слабого водонасыщенного слоя грунта (h > 10 м), показателе текучести IL ≥ 0,8 и модуле деформации грунтов Е ≤ 5,0 МПа широко используется метод предпостроечного уплотнения грунтов вертикальными песчаными дренами с последующей пригрузкой уплотняемой толщи весом насыпи или другими материалами, полезная нагрузка от которых равна или превышает нагрузку от проектируемого сооружения. В сейсмически активных районах Республики Таджикистан, как и в ряде других Центрально-Азиатских стран, в связи с подтоплением территорий площадки строительства зачастую могут быть представлены большими толщами слабых водонасыщенных лессовых грунтов (h = 12...20 м) с весьма низкими значениями физико-механических характеристик (IL ≥ 0,8; е ≥ 0,8; R ≤ 100 кПа; Е ≤ 5,0 МПа). Проектирование и обеспечение эксплуатационной надежности зданий в указанных условиях связано с применением различных методов подготовки искусственных оснований (уплотнением, закреплением, заменой слабого грунта и др.) или устройством фундаментов глубокого заложения, в том числе свайных. Существующий опыт показывает, что одним из эффективных, а иногда и единственным, может быть метод предпостроечного уплотнения этих грунтов вертикальными песчаными дренами и пригрузкой территории [1-6]. Об эффективности уплотнения слабых водонасыщенных лессовых грунтов весом пригрузки свидетельствует опыт уплотнения оснований металлических резервуаров на одном из объектов в южной части Республики Таджикистан [7]. Наблюдения за развитием осадок резервуаров при их гидроиспытаниях показали, что при однократном загружении основания резервуаров весом воды и последующей разгрузке были выбраны до 80 % от их общей осадки, и при этом более 90 % их величины составляли остаточные деформации. Следует отметить, что в практике резервуаростроения перед сдачей их в эксплуатацию проводят испытание водой (гидроиспытание) с целью проверки водонепроницаемости сварных швов. При этом строители параллельно проводят еще одно важное мероприятие - дополнительно уплотняют слабые водонасыщенные грунты до введения резервуаров в постоянную эксплуатацию [8, 9]. Необходимо отметить, что опыта проектирования и материалов исследований по уплотнению слабых водонасыщенных лессовых грунтов пригрузкой территории с устройством вертикальных песчаных дрен в условиях республики и других стран нами не установлено. Поэтому для изучения возможности и эффективности применения этого метода были проведены полевые (натурные) экспериментальные исследования, целью которых являлось изучение возможности и особенностей уплотнения слабых водонасыщенных лессовых грунтов вертикальными песчаными дренами при статических и динамических (сейсмических) воздействиях. Исследования были проведены на экспериментальном участке, сложенном большой толщей слабых водонасыщенных грунтов со следующими физико-механическими свойствами: плотность сухого грунта ρd = 1,54 т/м3, природная влажность w = 32 %, степень влажности Sr = 0,98, коэффициент пористости e = 0,79, показатель текучести IL = 0,8, модуль деформации E = 2...2,7 MПa. Уровень подземных вод находится на глубине 1,5 м от дневной поверхности, а на глубине более 16 м грунты представлены водонасыщенными лессовыми суглинками. До начала устройства песчаных дрен были проведены статические испытания естественных оснований с помощью круглых жестких штампов площадью Ашт = 1,0 м2 (dшт = 1,13 м), которые были установлены непосредственно на слое слабого грунта (на отметке уровня подземных вод). По результатам испытаний значение расчетного сопротивления грунтов основания составило R = 90 кПа, а модуля деформации - Е = 2...2,7 МПа. Затем на экспериментальном участке был вырыт котлован размером 10×30 м до уровня подземных вод, на поверхности которого была устроена песчаная подушка толщиной h = 0,5 м из крупнозернистого отмытого песка. Эта подушка обеспечивала возможность передвижения механизмов на поверхности котлована, а в дальнейшем служила горизонтальным дренажом для отвода отжимаемой воды из толщи грунта. Подготовленная площадка была разделена на 3 отдельных участка размерами 10×10 м каждый. План и разрез экспериментальной площадки приведены на рис. 1. Для возможности сравнения результатов экспериментальных исседований первый участок был пригружен весом грунтовой насыпи без устройства песчаных дрен в основании, на втором были устроены песчаные дрены по сетке 2×2 м, а на третьем - по сетке 3×3 м. Вертикальные песчаные дрены диаметром d = 0,4 м были устроены на глубину h = 6,0 м от дна котлована. Схема вертикальной песчаной дрены показана на рис. 2, а. Для измерения общих и послойных деформаций толщи слабых грунтов по глубине, на всех трех участках были установлены специальные конструкции поверхностных и глубинных марок (схема размещения марок приведена на рис. 1, а их конструкций - на рис. 2, б, в). Поверхностные марки были размещены по сетке 3×3 м, а глубинные марки установлены через каждые 1,5 м до глубины 6,0 м. Наблюдения за перемещениями всех марок осуществлялись с помощью нивелирования относительно двух неподвижных реперов, расположенных на расстоянии 40 м от экспериментальной площадки. Пригрузка экспериментальных участков статическими нагрузками производилась весом грунтовой насыпи путем отсыпки слоев толщиной по 1,0 м каждая, с выдержкой каждой ступени до условной стабилизации деформаций, принятой равной 1,0 мм/сут. После загружения толщи грунтов статическими нагрузками также были проведены исследования Рис. 1. План и разрез экспериментальной площадки: 1 - песчаные дрены; 2 - глубинные марки; 3 - поверхностные марки; 4 - грунтовая насыпь; 5 - песчаная подушка Fig. 1. Plan and section of the experimental site: 1 - sand drains; 2 - depth marks; 3 - surface marks; 4 - soil mound; 5 - sand pillow Рис. 2. Схема песчаной дрены (а), конструкции поверхностных (б) и глубинных марок (в): 1 - пригрузочная насыпь; 2 - песчаная подушка; 3 - песчаная дрена; 4 - слабый грунт; 5 - реперная труба; 6 - сальники; 7 - обсадная труба; 8 - труба, d = 76 мм; 9 - металлическая пластина Fig. 2. Scheme of sand drainage (a), surface (b) and depth marks (c): 1 - loading embankment; 2 - sand pillow; 3 - sand drain; 4 - weak ground; 5 - reference tube; 6 - glands; 7 - casing pipe; 8 - pipe, d = 76 mm; 9 - metal plate влияния сейсмических сил, имитированных сейсмовзрывными воздействиями, на процесс уплотнения слабых грунтов [10-13]. Имитация сейсмического воздействия была осуществлена с помощью короткозамедленных камуфлетных взрывов зарядов взрывчатого вещества массой 8-10 кг, которые устанавливалсь в специальные металлические контейнеры и погружались в буровые скважины на глубину 8-10 м от поверхности земли (общим весом 384 кг). Взрывные скважины в количестве 40 шт. были расположены тремя концентрическими рядами (13+13+14 скважин) на расстоянии 20, 25 и 30 м от экспериментальных участков. После завершения всех работ были проведены исследования изменения физико-механических свойств грунтов уплотненной толщи в лабораторных и полевых условиях. Полевые исследования также включали проведение статических испытаний с помощью металлических круглых жестких штампов и статического зондирования. Перед началом пригрузки территории были зафиксированы положения всех поверхностных и глубинных марок относительно неподвижных реперов. Пригрузка территории статическими нагрузками была произведена путем послойной отсыпки грунтовой насыпи из смеси гравийно-галечникового и суглинистого грунта плотностью ρ = 1,8 т/м3. При отсыпке насыпи возникли большие технические затруднения, в связи с чем было отсыпано только 4 слоя и общая статическая нагрузка на уплотняемую толщу грунта составила р = 75 кПа. Зависимости деформаций уплотняемой толщи s от времени t и веса пригрузки p для всех экспериментальных участков приведены на рис. 3. Рис. 3. Развитие деформаций экспериментальных участков во времени Fig. 3. The development of deformations of experimental sites in time Наибольшие значения деформаций были зафиксированы на участке 2, где песчаные дрены расположены по сетке 2,0×2,0 м. Достаточно хороший эффект уплотнения также получен при устройстве дрен по сетке 3,0×3,0 м (участок 3). Исследованиями было установлено, что основная часть деформаций происходит в первые 5-6 дней после приложения каждой ступени нагрузки. Как видно из рис. 3, применение вертикальных песчаных дрен позволяет значительно повысить качество уплотнения толщи слабых водонасыщенных лессовых грунтов (в 5-8 раз), что свидетельствует об эффективности применения этого метода в условиях слабых водонасыщенных лессовых грунтов. Характер развития послойных и относительных деформаций грунтов по глубине основания участка 2 приведен на рис. 4. Рис. 4. Развитие послойных и относительных деформаций слоев грунта по глубине основания Fig. 4. The development of layer-by-layer and relative deformations of soil layers along the base depth Анализ эпюры послойных перемещений свидетельствует о том, что основная часть деформаций грунтовой толщи происходит на глубине до -3,0 м, где зафиксировано более 70 % общей осадки грунтовой толщи. При этом на глубину -1,5 м приходится более 50 % их величины, а глубинная марка, расположенная на отметке -6,0 м, практически не перемещалась. Очевидно, это связано с малой величиной действующего давления, а также с тем, что по глубине основания увеличивается структурная прочность сжатия грунтов. После завершения испытаний на действие статических нагрузок были проведены исследования влияния на массив уплотняемой толщи грунтов динамических (сейсмических) нагрузок, имитируемых сейсмовзрывными воздействиями по раннее приведенной методике. При этом интенсивность сейсмического воздействия составила 8 баллов (по 12-балльной шкале MSK-64)[1]. Результаты испытаний, приведенные на рис. 3, показывают, что сейсмовзрывные воздействия способствуют развитию значительных дополнительных деформаций (Sдин) слабого слоя грунта, величина которых может составлять до 30 % от общих деформаций, зафиксированных при статическом загружении. Очевидно, это обстоятельство связано с повышением избыточного гидродинамического давления в поровой воде, которое приводит к дополнительному их отжатию в тело песчаных дрен и уплотнению толщи грунта. Результаты исследований также указывают на эффективное воздействие динамических (сейсмовзрывных) воздействий на качество уплотнения слабых грунтов вертикальными песчаными дренами. По нашему мнению, для ускорения процесса консолидации и повышения качества уплотнения слабых водонасыщенных лессовых грунтов целесообразным является использование энергии малых зарядов (микровзрывов) [15], масса которых для сохранения целостности песчаных дрен при производстве взрывов должна приниматься в пределах 0,2-0,4 кг. При этом заряды взрывчатого вещества следует размещать в пространстве между дренами и на втором-третьем уровне по их высоте (на рис. 5 приведены схемы расположения зарядов на примере экспериментального участка 2). Рис. 5. Схемы расположения зарядов взрывчатого вещества в плане и по высоте между песчаными дренами Fig. 5. Layout of explosive charges in terms of and the height between the sandy drains Проведенные исследования позволили установить следующее: - сейсмические (динамические) воздействия ускоряют процесс фильтрационной консолидации и способствуют повышению качества уплотнения толщи слабых водонасыщенных грунтов при использовании вертикальных песчаных дрен; - при проектировании указанного метода в условиях слабых водонасыщенных грунтов и высокой сейсмической активности территорий строительства необходимо учитывать возможность дополнительного уплотнения толщи грунта и, следовательно, развития дополнительных деформаций в основании зданий при прохождении сейсмической (динамической) волны. Неучет этого фактора может существенно повлиять на эксплуатационную надежность зданий после сдачи их в эксплуатацию. Рис. 6. Зависимость осадок штампов от нагрузки на уплотненных основаниях Fig. 6. The dependence of the sediment dies from the load on the compacted grounds После завершения всех исследований, для определения прочностных и деформационных характеристик уплотненных грунтов, на участках 2 и 3 были проведены статические испытания с помощью металлических жестких круглых штампов (Аш = 1,0 м2, dш = 1,13 м) и статического зондирования. Штамповые испытания проводились одновременным загружением двух штампов, расположенных на расстоянии не менее 5,0dш друг от друга, через металлическую платформу при помощи железобетонных тарированных блоков ступенями нагрузок по р = 25...50 кПа. На рис. 6 приведены зависимости деформации штампов s от нагрузки р на участкe 2. Для сравнения полученных результатов на этом же графике приведены результаты штамповых испытаний грунтов до их уплотнения песчаными дренами (на естественном основании). Полученные результаты свидетельствуют о том, что уплотнение толщи слабых грунтов вертикальными песчаными дренами позволяет: - несмотря на приложенную небольшую статическую нагрузку, увеличить значения расчетного сопротивления (повысить несущую способность) грунтов основания до R = 250 кПа, что почти в 3 раза превышает эти значения до уплотнения; - увеличить значения модуля деформации уплотненных грунтов до 4 раз; - увеличить значения удельного сцепления уплотненных грунтов в 2 раза (по результатам статического зондирования). Выводы 1. Проведенные экспериментальные исследования свидетельствуют об эффективности применения вертикальных песчаных дрен для уплотнения оснований, сложенных водонасыщенными лессовыми грунтами, даже при небольших величинах пригружающих (статических) нагрузок. 2. Серьезным недостатком этого метода является сложность отсыпки пригружающей насыпи большой высоты на обширной территории, что требует использования значительного объема грунта, времени и трудовых затрат. Поэтому необходимо найти более эффективные способы пригрузки толщи грунтов (например, использовать загружение уплотняемой территории весом воды по аналогии с гидроиспытаниями металлических резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов). 3. Сейсмовзрывные (динамические) воздействия способствуют увеличению величины общей деформации уплотняемой толщи (до 30 %). Установлено значительное влияние взрывных воздействий на повышение эффективности уплотнения слабых водонасыщенных лессовых грунтов вертикальными песчаными дренами при относительно небольших значениях пригружающего давления. Рекомендуется размещать заряды взрывчатого вещества в пространстве между дренами и на различных уровнях по высоте песчаной дрены, что будет способствовать значительному уменьшению высоты отсыпаемой насыпи (пригрузки). 4. Результаты исследований свидетельствуют о необходимости учета сейсмических и динамических воздействий при уплотнении слабых водонасыщенных лессовых грунтов вертикальными песчаными дренами, так как при этом вполне возможно развитие значительных по величине дополнительных деформаций в основании зданий после сдачи их в эксплуатацию, что может оказать негативное влияние на эксплуатационную надежность зданий.

About the authors

R. A Mangushev

Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

R. A Usmanov

Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

References

  1. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских соружений на слабых водонасыщенных грунтах. - М.: Стройиздат, 1983.
  2. Методы подготовки и устройства искусственных оснований: учеб. пособие / Р.А. Мангушев, Р.А. Усманов, В.В. Конюшков, С.В. Ланько. - М.: СПб.: Изд-во АСВ, 2012. - 272 с.
  3. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / под ред. В.А. Ильичева, Р.А. Мангушева. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Изд-во АСВ, 2016. - 1040 с.
  4. Рекомендации по рациональным методам уплотнения слабых водонасыщенных грунтов с помощью песчаных вертикальных дрен и известковых колонн для устройства оснований и фундаментов. - Эспоо, Финляндия, 1984. - 83 с.
  5. Рекомендации по предпостроечному уплотнению слабых грунтов временной нагрузкой с применением песчаных и бумажных дрен. - Ярославль, 1978.
  6. Рекомендации по предпостроечному уплотнению слабых водонасыщенных грунтов временной нагрузкой с применением ленточных дрен. - М.: Изд-во Госстроя СССР, 1985.
  7. Галицкий В.Г., Попсуенко И.К. Осадки промышленных сооружений на просадочных грунтах Таджикистана // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1985. - № 2. - С. 9-11.
  8. Коновалов П.А., Усманов Р.А. Исследование деформаций сильносжимаемых оснований гибких штампов и резервуаров // Труды VII Дунайско-Европейской конференции по механике грунтов и фундаментостроению. - Кишинев, 1985. - С. 107-112.
  9. Основания и фундаменты резервуаров / Ю.К. Иванов, П.А. Коновалов, Р.А. Мангушев, С.Н. Сотников. - М.: Стройиздат, 1989.
  10. Лекаркин В.К. Методика исследования влияния сейсмовзрывных воздействий на несущую способность фундаментов // Современные аспекты развития сейсмостойкого строительства и сейсмологии: сб. тр. междунар. науч. конф. - Душанбе, 2005.
  11. Усманов Р.А. Слабые водонасыщенные грунты, образованные обводнением лессов, как основания сооружений в условиях Республики Таджикистан: дис. … д-ра техн. наук. - Астана, 2009. - 252 с.
  12. Рузиев А.Р., Усманов Р.А. Исследование сейсмического эффекта при уплотнении лессовых просадочных грунтов гидровзрывным методом в условиях сложного рельефа // Современные аспекты развития сейсмостойкого строительства и сейсмологии: сб. тр. междунар. науч. конф. - Душанбе, 2005. - С. 224-227.
  13. Ишихара К. Поведение грунтов при землетрясениях (перевод с английского) / под ред. А.Б. Фадеева, М.Б. Лисюка. - СПб.: НПО Геореконструкция, 2012.
  14. Иванов П.Л. Уплотнение малосвязных грунтов взрывами. - М.: Недра, 1983.

Statistics

Views

Abstract - 69

PDF (Russian) - 44

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Mangushev R.A., Usmanov R.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies